（材料加工工程专业论文）超低温用9ni钢厚板生产工艺的开发.pdf

j一1i， ， 1l1 ；1川r at h e s i si n 丛丛曼! i 鱼! 墨夏q ! ：堡i n g 垦堕g i n 星曼! i 旦g d e v e l o p m e n to fh e a v y9 n i s t e e lp l a t ep r o d u c tp r o c e s s f 0 ru l t r a l o w t e m p e r a t u r ea p p i i c a t i o n b y x i ez h a n g l o n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rl i uz h e n y u n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i 哆 f e b r u 叫2 0 0 8 7叭7 3mmlm 4叭8i0_洲y l p l ， 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：鞠奄轳 日期：少。g 。炒 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同 意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 二一嘻。ln ；，l-1 i | j ， r 东北大学硕士学位摘要 摘要 随着l n g 贸易量的增加，对l n g 结构材料9 n i 钢的需求与日俱增，因此 开发自主知识产权的9 n i 钢具有非常重要的意义。本文通过成分设计、热模拟实 验和大量的工艺实验，利用冲击和拉伸实验进行力学分析，用光学显微镜和s e m 进行组织分析。对9 n i 钢的高温变形行为，工艺路线及各主要工艺参数的组织性 能进行了研究。取得了以下主要成果： ( 1 ) 通过单道次压缩实验，研究了实验钢奥氏体动态软化行为，动态再结 晶激活能为2 7 3 9 6 k j m o l 。建立了峰值应变之前的变形抗力模型。通过热膨胀实 验，确定了9 n i 钢静态和变形4 0 的动态c c t 曲线，在冷速1 3 0 s 范围内， 静态和动态条件下得到的组织都是以贝氏体组织为主，动态c c t 中贝氏体开始转 变温度比静态c c t 中的低，转变结束温度高。 ( 2 ) 通过工艺试验，重现了现有的模铸和连铸连轧工艺路线。在此基础上， 开发了新的在线热处理工艺，在线热处理工艺可采用两种方式：1 ) 双相区终轧 后直接淬火加回火；2 ) 奥氏体区终轧后在双相区保温一段时间，然后淬火后加 回火。 ( 3 ) 调整在不同温度区间的压下量分配，确定在奥氏体完全再结晶区分配 大的压下量，适合采用d q + t 热处理工艺；在非完全再结晶区分配大的压下量， 适合采用d q + q t 或d q + q l t 热处理工艺。通过控制终轧温度，确定终轧温度 在奥氏体区较低温度时，适合采用q l t 热处理工艺，在双相区热轧，有利于生 成铁素体，可以采用d q + t 热处理工艺。 ( 4 ) 经过d q + t 、d q + q t 或空冷下来后的q t 工艺热处理后得到的组织是 以马氏体为基体加奥氏体的混合组织；经过d q + q l t 或空冷后q l t 工艺热处理 后得到的组织是以马氏体为基体加奥氏体和铁素体的混合组织。经过d q + t 、 d q + q t ，d q + q l t 工艺热处理后的低温韧性依次增加，但屈服强度和抗拉强度 则减少。 关键词：9 n i 钢；动态再结晶；工艺路线；在线热处理；低温韧性 l厂r 、善文 ，r-r l 一 东北大学硕士学位 a b s t r a c t - _ l _ - - - _ - _ _ i _ i _ _ _ _ _ _ i l - - i _ _ i _ i _ _ _ - l _ ll _ - a bs t r a c t w i t ht 1 1 e i n c r e a s i n gt r a d i t i o no fl n gt h ed e m a i l df o r9n is t e e la sl n g s t r u c t u r a lm a t e r i a l si s g r o 、v i n g i t sg r e a ts i g n i f i c 锄c e t o d e v e l o p 9 n is t e e lw i t h i n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a lp r o p e r t yr i g h t s t h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，p r o d u c tp r o c e s sa n d p r o c e s sp a r a m e t e r sw e r ei d e n t i f i e db yal a r g em l m b e ro fe x p e r i m e n t s t h ea u s t e n i t i c d e f o n n a t i o nb e h a v i o ra j l dc c tw e r es t u d i e db yt h e n n a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s t h e l o 、- t e m p e r a t u r et o u g h n e s sa n do m e rm e c h a j l i c a lp r o p e n i e sw e r es t u d i e db yc h a 印y i m p a c tt e s ta n dt e n s i l et e s ta n dt h em i c r o s t m c t u r ew a sa i l a l y s e db yo ma 1 1 ds e m ， t h em a i na c h i e v e m e n t so ft h i sp r e s e n t 、o r k 、e r ea sf o l l o 、v s ： 1 t h ea u s t e m t i cd ) r 1 1 锄i c s o r e n i n gb e h a v i o rw a ss t u d i e da 1 1 dd e f o r m a t i o n r e s i s t a n c em o d e lb e f o r et l l ep e a ks t r a i nw a u se s t a b l i s h e db ys i n 9 1 e p a s sc o m p r e s s i o n e x p e r i m e n t t h ed y n 锄i cr e c 巧s 词l i z a t i o na c t i v a t i o ne n e r g ) ri s2 7 3 9 6k j r n 0 1 t h e s t a t i ca n dd y n 锄i cc c tc u n ，e sw e r eg o tb yt 1 1 e m 出e x p a j l s i o ne x p e r i m e n t s w h e m e r u n d e f o m e do rd e f o 册e d4 0 ，t 1 1 em a i nm i c r o s t r u c t u r ei sb a i n i t ei nt h ec o o l i n gr a t e 啪g eo flt o3 0 s n l eb sp o i n to f d y n 锄i cc c ti sl o w e rt h a nt h es t a t i cc c ta n d m eb fp o i n to fd y n 锄i cc c ti sh j g h e r 2 1 1 1 ec a l s t i n ga n dc o n t i n u o u sc a s t i n ga n d r o l l i n gp r o c e s sr o u t e sw e r er e p e a t e d b yp r o c e s se x p e r i m e n t s ，a i l dd e v e l o p e dan e wr o u t ew h i c hn 锄e d 嬲h e a tt r ea t m e n t o n l i n ep r o c e s sr o u t e 、v h i c hb er e a l i z e di n “v o 、v a y s ：( 1 ) q u e n c h i n ga n dt e m p e r i n g a n e rd u p l e xd i s t r i c tf i n i s h i n g ；( 2 ) q u e n c h i n ga l l d t e m p e r i n ga r e ri n s u l a t i o ni nt h e d u p l e xd i s t r i c tf o r15m i n u t e sw 1 1 i c hf i n i s l l i n gt e m p e r a t u r ci si na u s t e n i t i cd i s t r i c t 3 t h r o u 曲a d j u s tt 量1 er e d u c t i o nd i s t r i b u t i o nr a t i oi nt l l ed 徊奄r e n tt e m p e r a t u r e r a n g e so fr o l l i n ge x p e r i m e n t s ，t 量l ec o n c l u t i o n sw e r eg o tm a tp l a t e ss h o u l db eh e a t t r e a t e db yd q + ta n dg o tt h eb e s tr e s u l tw h e nl a 唱er e d u c t i o nr a t i ob ed i s t r i b u t e da t m l l ya u s t e n i t i cr e c 巧s t a l l i z a t i o nd i s t r i c ta n dp l a t e ss h o u l db eh e a tt r e a t e db yd q + q t o rd q + q 【ta n dg o tm eg o o dr e s u l t 、v h e nl a r g er e d u c t i o nr a t i ob ed i s t r i b u t e da t a u s t e n i t i ci n c o m p l e t er e c r y s t a l l i z a t i o nd i s t r i c t t h e p l a t e ss h o u l db eh e a t 仃e a t e db v q 【，t 、v h e nt 1 1 ef i n i s h i n gt e m p e r a t u r ei si nt h el o w e rt e m p e r a t u r eo fa u s t e n i t i cd i s t r i c t a n ds h o u l db eh e a tt r e a t e d b yd q + ta n dg o ts o m ef e l l r i t ew h e nt h ef i n i s h i n g t e n l p e r a t u r ei si nt h ed u p l e xd i s t r i c t 4 t h em i c r o s t r u c t u r eo f9 n is t e e la r em a r t e n s i t em a t r i xa n ds o m ea u s t e n i t i ca r e r d q + t ，d q + q to rq t t h em i c r o s t r u c t u r eo f9 n is t e e la r em a n e n s i t em a t r i xa n d i l i 东北大学硕士学位 a b s t 托l c t s o m ea u s t e l l i t i ca n df l e r r i t ea r e rd q + q i to rq i 工7 i h ec r o g e m ct o u g t u l e s si n c r e a s e d b ym eo r d e rd q + t ，d q + q ta l l dd q + q l t a n dm ey i e l ds 仃e n 曲a n dt e n s i l es t r e n g t l l c o n v e r s e l y k e y w o r d s ：9 n is t e e l ；d y n 锄i cr e 叫s “1 i z a t i o n ；p r o c e s sr o u t e ；h e a tt r e a to n l 妇； l o 、- t e m p e 咖er o u g h n e s s ；o； 东北大学硕士学位论文目录 目录 独创性! 声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录v 第1 章绪论1 1 1 前言1 1 2 国内外发展状况2 1 2 19 n i 钢简介2 1 2 2 国外9 n i 钢发展状况2 1 2 3 国内9 n i 钢现状3 1 2 49 n i 钢发展方向3 1 3 钢的强韧化4 1 3 1 钢的强度和强化4 1 3 2 钢的韧性和韧化7 1 3 3 强韧化的技术途径。一1 0 1 4 低终轧温度对组织性能的影响1 l 1 5 在线热处理1 2 1 6 课题研究的背景和主要内容1 2 1 6 1 课题研究背景1 2 1 6 2 课题研究内容l2 第2 章9 n i 钢的成分设计与冶炼1 4 2 19 n i 钢的性能指标1 4 2 2 成分设计14 2 3 炼钢15 2 4 本章小结16 第3 章9 n i 钢热模拟实验1 7 - v 东北大学硕士学位论文 目录 3 1 单道次压缩实验：1 7 3 1 2 实验方案：j 1 7 3 1 29 n i 钢的真应力一真应变曲线1 8 3 1 39 n i 钢的r 盯曲线2 0 3 1 4 变形过程的基本关系式2 0 3 1 5 变形抗力分析2 3 3 2 热膨胀实验2 4 3 2 1 实验方案2 5 3 2 29 n i 钢连续冷却转变图2 6 3 3 本章小结2 9 第4 章工艺实验3 1 4 1 实验设备及检测方法3 l 4 1 1 热轧设备一：j 3 1 4 1 2 显微组织的分析方法及设备3 1 4 1 3 拉伸实验方法及设备3 2 4 1 4 低温冲击实验方法及设备。3 2 4 2 模铸工艺实验3 3 4 2 1 工艺实验3 3 4 2 2 实验结果与讨论3 4 4 3 连铸连轧工艺3 7 4 3 1 工艺路线3 7 4 3 2 实验结果3 9 4 4 新工艺开发4 2 4 4 1 连铸连轧双相区终轧工艺4 3 4 4 2 在线热处理工艺4 5 4 5 本章小结4 7 第5 章9 n i 钢性能的影响因素及韧化机理4 8 5 1 工艺路线对组织性能的影响4 8 5 1 1 实验方案4 8 - v i 东北大学硕士学位论文目录 5 1 2 实验结果4 8 5 2 热轧方案对组织性能的影响：5 0 5 2 1 不同温度区间压下分配比例对组织性能影响5 0 5 2 2 终轧温度对性能的影响5 5 5 3 热处理参数对低温韧性的影响5 7 5 4 不同热处理工艺得到的组织及其对性能的影响5 8 5 4 1 不同热处理工艺得到的组织及n i 元素的分布5 8 5 4 2 复合组织韧化机理61 5 4 3 不同复相组织对低温韧性的影响6 2 5 5 本章小结6 3 第6 章结论：6 5 参考文献6 7 致谢7 1 。，b，jr 东北大学硕士学位论文 1 绪论 第1 章绪论 1 1 刖吾 随着全球能源资源的多样化，经济增长带动的整个能源需求增长，以及对环 境保护的日益重视，天然气作为一种清洁能源，将来占据的比重将越来越大。根 据国内外有关能源研究机构的预测，到2 0 1 0 年，在世界一次能源结构中，石油 所占比例将下降到4 0 以下，煤将降至2 2 ，天然气所占消耗比将占2 6 。到 2 0 3 0 年，天然气的生产量和消费量将均会超过石油，并有可能取代石油成为主 要能源。为了方便存储和运输，通常将天然气液化成液化天然气( l n g ) 。到 2 0 1 0 年，l n g 贸易量将占天然气总贸易量的3 8 。我国除了已经建成的深圳大 鹏l n g 储罐之外，未来几年将在福建、浙江、上海等沿海城市建立近1 0 座l n g 储罐，并将建造3 0 3 5 艘l n g 船、调峰站和其它一些配套设施，因此未来几年 国内对l n g 终端结构材料的需求量将会非常大。 l n g 温度为1 6 2 ，终点站是底部水平、具有巨大储存容量的罐体，采用 焊接方式结合在一起。其结构材料不仅要求具有较高的强度，而且其基体、焊缝 和焊接热影响区需要具备良好的低温强韧性。为了满足这种市场需求，美国i n c 0 公司上世纪四十年代首先发明了9 n i 钢。相对于奥氏体不锈钢和奥氏体铁镍合 金，9 n i 钢成本更低，相对于铝合金，9 n i 钢具有更好的力学性能，因此l n g 储 存和运输设备的结构材料国际上普遍选用9 n i 钢。在9 n i 钢研发和应用方面，日 本和欧美走在了世界前列，上世界中期，日本、韩国和欧洲都开发了自主知识产 权的9 n i 系列钢，并且付诸应用。自从美国1 9 5 2 年建造了第一座l n g 储罐以来， 到目前为止，全球液化和接受基地已超过6 2 处，l n g 储罐达到3 1 0 座，其中超 过1 2 万立方米的l n g 储罐超过总数的4 4 。到1 9 9 3 年全球拥有1 9 4 条l n g 船，总容量为2 3 4 0 多万立方米。每条容量在5 5 1 4 万立方米，最常见的规格 为1 2 5 1 3 8 万立方米。性能上：自1 9 7 0 至今的3 7 年问，用于长途运输的9 n i 钢板的一1 9 6 0 c 低温韧性由2 2 j 提高至7 6 j ，用于贮存罐体的9 n i 钢板的低温韧 性由5 8 j 提高至如今的1 2 0 j 。可见，国际上9 n i 系列钢板的性能在3 5 年时间内 有了巨大的飞跃。 9 n i 钢除了用于l n g 项目外，还可用于其它低温结构材料，如乙烯罐、氮 气罐等低温液化气储罐。 东北大学硕士学位论文 l 绪论 1 2 国内外发展状况 1 2 19 n i 钢简介 9 n i 钢是一种可以在1 9 6 服役的铁素体型结构材料【l 】，是低温韧性最好的 实用材料。其主要特点是：钢中含9 左右n i ，在1 9 6 以上无韧一脆转变现象。 如果采用调制处理，9 n i 钢的组织为马氏体为基体加奥氏体的混合组织，如果在 双向区保温，其组织为马氏体为基体加奥氏体和铁素体的混合组织。 1 2 2 国外9 n i 钢发展状况 各钢厂最初生产9 n i 钢都采用的模铸工艺路线，由于其存在成分偏析大，材 料利用率低，在加热过程中氧化严重等缺点，钢铁企业都力图采用连铸连轧工艺 生产。目前，t h y s e e 心汛p p 等国外钢铁企业在9 n i 钢炼钢过程中均采用了转炉 底部吹氧技术，然后进行钢包精炼，可以进一步精确控制相关化学成分，特别是 起到脱s 和p 的作用( 分别达到0 0 0 3 和o 0 1 0 以下的水平) 。在钢板热轧阶 段，采用了现代化轧制技术，i m c p ，在连铸连轧生产线上可以稳定生产出各项指 标均达到a s t ma 5 5 3 a 5 5 3 m 标准的钢板。 y e 瓠 图1 19 n i 钢最低冲击韧性需求的发展 f i g 1 1d e v e l o p m e n t0 fr e q u i r e m e n t sf 1 0 rm i n i m u mi m p a c tt o u g h n e s so f9 n i s t e e l 文献显示，日本1 9 9 3 年就能大规模生产厚度达4 0 4 5 衄9 n i 钢宽厚板 2 】， 1 9 9 9 年之前就能生产厚度到5 0 姗的低s 价妯比9 n i 钢宽厚板【3 】。现有生产工艺 ，396t圣equ高每u|】3西q山l 东北大学硕士学位论文1 绪论 主要注重了9 n i 钢的成分控制和热处理工艺，为了减少对低温韧性尤其是对焊接 热影响区低温韧性的影响，对杂质元素s 、p 、o 等的限制越来越严格。热处理 由最开始的一次淬火+ 回火工艺发展到后来的两次淬火+ 回火工艺。国外对轧制 工艺以及热轧与热处理工艺的衔接等对最终组织性能影响的研究较少。对1 9 6 最低冲击韧性需求的发展如图1 1 ，自1 9 7 0 年到现在，对低温韧性的要求发生了 巨大的变化，2 0 0 0 年后的纵向要求是1 9 7 0 年的两倍多，横向要求增加了近三倍。 1 2 3 国内9 n i 钢现状 我国自“七五 期间开始，国家有关部门考虑到石油化工行业在容器、储罐、 筒体等设备部件中所用低温钢的国产化问题，提出了n i 系低温钢的研发计划并 组织了一系列攻关工作。已经研制的n i 系低温钢有：0 5 n i 、1 5 n i 、3 5 n i 、5 n i 和9 n i 钢等。其中我国重点开发的是1 5 n i 和3 5 n i 钢，已经通过了实验室实验 和工业试制，结果表明这两种钢具有良好的综合性能，可分别满足一6 0 0 c 和一 1 0 1 0 c 低温设备及容器使用要求。5 n i 和9 n i 系列低温钢也得到重视，这两种钢 的使用温度可分别达到一1 7 0 0 c 和一1 9 6 0 c ，但未实现国产化。对高牌号的9 n i 系钢，在用量最大的宽厚板生产方面，完全依赖进口。最近几年国内的一些大型 钢铁公司开始重视研发9 n i 钢，其中鞍钢、武钢等正在积极开发过程中，太钢上 世纪9 0 年代末开始研发9 n i 钢，在国内起步较早，其产品已经通过认证，但生 产工艺采用的是模铸。模铸的成分偏西大、成材率低，造成产品成本太高。而国 内现在的连铸连轧工艺问题比较多，无法实现工业化生产。 1 2 49 n i 钢发展方向 由于l n g 储罐和l n g 船向大型化方向发展，同时为了减少焊缝和提高安 全系数，要求9 n i 钢规格向更宽、更厚的方向发展。在保证强度的前提下，要求 低温韧性越高越好。在成分方面，对成分中有害杂质元素s 、p 、n 、o 、a l 等的 限制要求越来越严格，有钢厂甚至要求钢水达到超纯( n + h + o + s + p 1 0 0 p p m ) 标准。为了减少对焊接热影响区低温韧性的影响，c 、s i 等增加低温脆性的元素 应尽量少，可以加入微合金元素n b 等保证强度。工艺方面，为了适应新的性能 要求和利用现有设备布局减少生产工序，已成熟的热处理技术已不再适用，需要 进一步开发新的热处理工艺制度，其发展趋势是，板坯连铸+ 现代化t m c p 热 轧+ 在线热处理。采用这种技术，不仅有利子生产出高质量9 n i 钢宽厚板，而且 可以实现生产过程的减量化，达到节能降耗的目标。 东北大学硕士学位论文1 绪论 1 3 钢的强韧化 钢强韧化是以钢的强度和韧性等力学性能综合优化的一种技术，在预定的钢 材条件下，通过工艺途径，使其组织形态、微观结构等产生有利变化，以达到提 高强度和韧性等力学性能的目的。 1 3 1 钢的强度和强化 强度是材料抵抗变形与断裂的能力。基于安全考虑，9 n i 钢不仅要求具有很 好的低温韧性，还要求具有相当高的屈服强度。钢的强化机制主要包括细晶强化、 固溶强化( 置换强化和间隙强化) 、析出强化，位错及亚结构强化和相变强化等， 对于不同的钢，其强化方式可能不同，可能是单一强化方式，也可能是多种强化 方式复合。根据修正的h a l l p e t c h 公式： 巧j ，= 仃o + 吒+ 仃i n t + 仃倒+ 仃f r 口，+ 仃刹+ 巧d 1 7 2 ( 1 1 ) 式中：ov 为材料的屈服强度；oo 为晶格摩擦力( 阻碍位错运动的力和晶格 阻力) ；o 。为置换强化增量；oi n t 为间隙强化增量；op p t 为析出强化增量；o 蜘塔f 为相变强化增量；od i s i 为位错及亚结构强化增量；k v 为晶界强化因子；d 为 晶粒直径。 1 3 1 1 细晶强化 细晶强化是唯一一种既提高强度又提高韧性的强韧化方式。当金属发生塑性 变形时，滑移首先在取向有利的晶粒中发生，然后扩展到其它晶粒，最后终止在 晶界。相邻晶粒取向差大，晶界处原子排列紊乱，畸变能大，对位错运动的阻碍 就大。同时相邻晶粒取向差大，滑移转入相邻晶粒时阻力就大。h a l l 与p e t c h 首 先得出了晶粒细化强化的h a l 卜_ p e t c h 公式： j q = + k ，d 2 ( 1 2 ) 式中o 。晶内变形阻力，相当于单晶体屈服应力：oo 是位错在晶粒内移动的 摩擦阻力；k v 是晶界性质影响的阻力系数。从上式可以看出晶粒越细，屈服强 度越高。 在实际应用中，通过在奥氏体再结晶区大压下，使奥氏体充分再结晶细化晶 粒，同时在奥氏体非再结晶区轧制，增加未再结晶奥氏体晶界、形变带和位错孪 晶等晶体缺陷，以增大有效晶界面积，提高形核率，从而细化q 组织。 东北大学硕士学位论文1 绪论 1 3 1 2 固溶强化 固溶强化分为间隙式固溶强化和置换式固溶强化。在一般的稀固溶体中，溶 质的固溶强化引起的屈服强度为问： = 蚴】删 ( 1 3 ) 式中： m i 为溶质元素m i 在固溶体中溶解的重量百分数；k m i 和m i 是常数， 它们取决于基体及溶质元素的性质；m i 介于o 5 和1 之间。 当钢中间隙固溶的碳、氮含量的变化范围很小时，可以用直线关系替代抛物 线关系。这样所有固溶元素的强化效果可以用下式表述： = 施】 ( 1 4 ) 一般置换固溶强化效果都很弱，添加1 的合金元素仅能得到数十兆帕的强 度增量，而且随添加量的增加，强化效果还减弱。因此置换固溶强化成本很高。 因此一般都不有意采用置换固溶。 1 3 1 3 析出强化 第二相粒子沉淀时，沉淀相在基体中造成应力场，应力场和运动位错之间交 互作用使基体强化。析出强化是一种非常有效的强化方式，添加微量的微合金元 素可以获得成百兆帕的强度增量，同时微合金碳氮化物析出相还有晶粒强化作 用。当强化效果相等于固溶强化时，它对塑性和韧性的削弱作用较小。影响第二 相粒子沉淀强化效果的因素：1 ) 粒子在钢材屈服时本身可否塑性变形；2 ) 第二相 的形态与分布方式。 通过实验观察研究沉淀强化理论，根据g l a d m a l l 等的理论，位错线在滑移 面上由两个相邻粒子之间弓出，以沉淀粒子混乱分布为依据，得到沉淀强化模型 为【4 】： 仃。= ( 5 9 厂2 x ) i n ( x 2 5 1 0 - 4 ) ( 1 5 ) 式中：f 是沉淀粒子的体积分数，；x 为沉淀强化的平均截线直径，m m 。 由此可以看出，由沉淀粒子所造成的强化随粒子尺寸的减小和粒子体积分数的增 加而增加。 1 3 1 4 位错和亚结构强化 晶体中位错分布较均匀时，流变应力和位错密度间存在如下b a i l e y h i r s c h 关系式： 三 f = f o + a 6 p 2 ( 1 6 ) 东北大学硕士学位论文 1 绪论 式中：t 是单晶体开始滑移所需要应力或多晶体开始塑性变形的应力；to 是位错密度为零时的流变应力( 位错交互作用以外的因数对位错运动的阻力) ； q 为常数，对于立方金属多晶体q = 0 5 ；i l 为切变模量；b 为柏氏矢量。因此由 位错密度所引起的流变应力增量为： ! f = f f o = a p 6 p 2 ( 1 7 ) 将式( 1 7 ) 乘以取向因子m 得到： 仃d = j l l 6 p 1 7 2 ( 1 8 ) 在易于交滑移的金属中，应变量超过一定程度后，位错将排列成三维亚机构， 这些亚结构的位错墙呈松散的缠结形貌时，称为“胞状结构”。当位错墙变窄且 轮廓分明时，则称亚晶，具有十分发达的胞状结构的材料，其屈服强度或流变应 力的增量为： = 触6 = k 一 ( 1 9 ) 式中：d c s 为胞状结构尺寸；k c s 为常数，经有关经验确定大致为0 1 2 4 n 埘【i n 。 亚结构强化实质仍是位错强化。亚晶的力学行为像晶粒，对强度的影响遵循 下式： = 础峨。1 胆 ( 1 1 0 ) 式中：d c g 为亚晶尺寸；kub 为常数。 胞状结构尺寸当位错密度很低时，仅考虑晶界的作用；当位错密度很高时， 主要考虑位错和位错胞状结构的作用；当这些位错重新排列而组成发达的亚晶 时，亚晶内部位错很低时，主要考虑亚晶的作用。 1 3 1 5 相变强化 钢的过冷奥氏体在冷却时可分解为不同形态、不同点阵类型的组织结构，因 而冷却产物有着不同的强度和塑性。如图1 2 为热轧钢板经不同冷却速度得到的 显微组织。在较低冷却速度时得到铁素体组织；以中等冷速冷却得到贝氏体组织； 以超过马氏体临界冷速冷却，得到马氏体组织。 通过热轧后的加速冷却，可以加强铁素体晶粒细化和加强碳、氮化物析出强 化效果。可以使未相变的奥氏体晶粒发生相变生成细微的多边形晶粒，使铁素体 晶粒更加细小，且内部还可能包含亚晶粒。这种包含亚晶粒的混合组织可以使强 度增加。进一步提高冷却速度，能得到强度更高的贝氏体或马氏体组织，从而提 高基体强度。因此可以通过控制热轧后的冷却方式来得到理想的最终组织，得到 东北大学硕士学位论文1 绪论 合适的强度。 图1 2 不j 司冷速得到的组织 f i g 1 2m i c r o s t m c t u r eo fd i 能r e n tc o o l i n gr a t e 1 3 2 钢的韧性和韧化 韧性是材料从变形到断裂全过程中吸收能量的能力。其大小取决于强度和塑 性这两个因素，是强度和塑性综合作用的表现。一般金属中存在韧脆转变温度 ( f a t t ) ，在此温度以上断裂为韧性断裂，在此温度以下断裂为脆性断裂。对 于一定材料来说，韧脆转变温度越高，表征该材料脆性趋势俞大。影响韧脆转变 温度的主要因素有变形速率、应力状态、化学成分和组织结构等【5 】。 对于一个具体的冲击断裂过程，其典型的载荷时间曲线如图1 2 所示。在冲 击载荷作用下，试样的断裂大致经历弹性变形( a b 段) 、塑性变形( b d 段) 、 裂纹稳定扩展( d f 段) 和裂纹失稳扩展( f h j 段) 等过程。与此对应，冲击试样 断裂所吸收的总能量( a k ) 可以分为解为弹性变形能e 。、塑性变形能e 。、裂纹 稳定扩展能e p l 和裂纹失稳扩展能e p 2 ，并依次由各段曲线所覆盖的面积a b c 、 b d e c 、d 龟e 和删i g 来表示。也可以把冲击功分为裂纹形成功a i ( 包括e c 和e 。 两部分，并由面积a b d e a 表示) 和裂纹扩展功a p ( 包括e p l 和e p 2 两部分，由面 积d 删i g e 表示) 。a i 和a p 的大小分别由材料变形抗力和阻止裂纹扩展的能力所 决定，这又取决于钢的强度、弹性模量等力学性能和微观组织、结构特征。钢材 具有相同或相近的冲击功( c v n ) ，却不一定具有相同的a i 和a 。，a i 在一定范 2暑暑i脚一 东北大学硕士学位论文 1 绪论 围内随温度的降低基本不变，而标志着钢材抗裂纹扩展能力的裂纹扩展功a p 则 随温度降低而降低。 p e g 图1 3 载荷一时间曲线 f i g 1 3c u n ，eo fl o a d _ _ t i i i l e 1 3 2 1 裂纹形成难易与钢的韧性 塑性变形过程中位错的运动，使得显微裂纹大都在局部塑性变形处产生。通 过对变形过程中位错运动的分析，一些学者提出了裂纹形成的位错理论和模型， 包括位错塞积理论、位错反应理论、裂纹在夹杂边界形成理论等。这些理论的基 本思路是在切应力作用下，促进位错在滑移面上运动。位错运动中难免遇到不同 的障碍而受到阻碍，造成位错塞积，形成大位错。这种大位错的弹性应力场可能 产生大的正应力而促进材料开裂【6 】。 柯垂而采用能量观点确立了微裂纹的形成条件1 7 】为： 仃甩6 2 y ( 1 1 1 ) 式中：o 为外加应力；y 为表面能；n b 为晶体的滑移量；on b 为产生滑移 时所做的功。 依据推动滑移的有效切应力( t 。ti ) ，对应的切应变( t 。ti ) g ，滑移 带的长度等于晶粒直径d ，可以求出裂纹位错的总柏氏矢量n b 的表达式为： 刀6 ：f 三d d ( 1 1 2 ) kg 一8 一 东北大学硕士学位论文 1 绪论 式中t 。为屈服时的切应力，它等于形成裂纹的切应力；ri 是位错滑移时的 摩擦切应力；g 为切变模量。而t 。与d 之间又存在经验公式： f 。= f l + k ，d 一1 7 2 ( 1 1 3 ) 将式( 1 1 2 ) 和式( 1 - 1 3 ) 与h a l l p e t c h 公式仃，= 盯，+ k ，d _ 1 坨合并处理可以 得出裂纹形成条件为随1 ： ( 仃，d “2 + k ，) k ，2 g y ( 1 1 4 ) 式中oi 为位错在晶内移动的摩擦阻力；d 为晶粒直径；k v 、k ，7 是与晶界对 滑移传播的阻碍有关的常数；y 为表面能；g 为切变模量。可见，为了提高材料 的韧性，使裂纹不易形成。需式( 1 1 4 ) 左边小于2 gy 。因此提高抗裂纹形成 的途径有：( 1 ) 增大钢的表面能y 和切变模量g ； ( 2 ) 减小k ：，k 位错滑 移的摩擦切应力以及晶粒直径d 。 1 3 2 2 裂纹扩展难易与钢的韧性 裂纹从形成扩展至临界裂纹尺寸这个亚稳扩展阶段的长短距离取决于应力 状态、介质等外界条件外，主要受材料本身的一般力学性能( 强度和塑性) 和组 织结构的影响。如裂纹形成后的扩展过程中由于遇到晶界、相界和韧性相等不同 阻碍而使裂纹扩展缓慢。多晶体金属材料在不同的热处理状态下的断裂具有不同 的特点和机制，有些韧性断裂，其宏观和微观断口分别为纤维状和韧窝，断裂过 程中微空聚合型断裂要经过韧窝的形成和克服第二相的障碍而缓慢长大的裂纹 扩展阶段；另一些则属于解理断裂或沿晶断裂机制的脆性断裂，脆性断裂具有穿 晶小平面河流状准解理断口，相应的韧性较低。基于上述思路，一些学者提出韧 性断裂的应力判据和解理断裂的临界应力判据，相应建立了两种类型断裂与钢的 一般力学性能和组织结构之间的关系模型【6 】。 1 韧性断裂的应力判据 韧性断裂大致经历基体塑性变形、在基体和第二相界面或第二相本身开裂而 形成微孔、微孔长大以及微孔间金属撕裂使微孔聚合从而裂纹扩展等几个阶段。 从这个思路，c r a m 首先提出了微孔聚合型韧性断裂模型【9 】： k 名= 刀e 2 万露 ( 1 1 5 ) 式中：k ，c 是平面应变断裂韧性；n 为材料应变强化指数；e 为弹性模量； d t 为第二相离子间的平均距离，它构成裂纹前段的屈服区。 后来h a h n r o s e n f i e l d 根据金相浸湿法测出的裂纹前沿的塑性区宽展采用 东北大学硕士学位论文 l 绪论 临界应变判据乞= 三一导出了类似的模型【l o 】 k 萨5 n 瓯 式中：肠是平面应变断裂韧性；n 为材料应变强化指数； o 。为屈服强度，f 单向拉伸时的真实断裂应变。 ( 1 1 6 ) e 为弹性模量； 从这两个模型中可以看出：( 1 ) 勋随第二相颗粒间的平均间距d t 以及真 实断裂应变ef 的增大而增大，而d t 和f 的大小是一致的；( 2 ) 在韧性断裂的 情况下，如随n 的增加而增加。 2 解理断裂的应力判据 对于解理断裂或沿晶断裂等类型的脆性断裂，采用临界应力判据建立相应的 关系。哈恩一罗森非尔德提出，当裂纹前沿由于塑性约束使张应力达到临界解应 力仃时，发生断裂，并对实验数据进行处理，先后得出k 心与强度性能的关系： ! ：l + 2 盘) ( 1 1 7 ) 一= l + i o - li i ， 6 s ? 6 s 砭蠢2 嚷) ( 1 1 8 ) 式中：如是平面应变断裂韧性；a 是发生断裂时的临界解理应力；仃，为 屈服应力。可以看出k 旷随临界解理应力的增大而增大。 1 3 3 强韧化的技术途径 依据钢的强韧化与组织结构的上述关系，强韧化的技术途径应是促使组织结 构转化到最有利于提高强度和韧性的理想状态，以便钢的强度和韧性均可以获得 大幅度提高。由合金化和冶金途径控制微观组织结构的技术途径主要有以下几 种： 1 细化晶粒和组织 细化晶粒和组织能同时提高钢的强度和韧性，具体的方法为：( 1 ) 微合金 化，如加入n b ，v ，t i 等，形成碳氮化物，阻碍高温奥氏体晶粒长大和进行沉 淀析出强化；( 2 ) 由控制终轧温度和轧后冷却速度等途径来细化奥氏体再结晶 晶粒和冷却后的q 晶粒：( 3 ) 由循环热处理达到晶粒超细化；( 4 ) 快速奥氏体 化多极热处理等。 2 改善基体和强化相形态 东北大学硕士学位